Altair Radioss 針對動態載荷下的高度非線性問題評估和優化產品性能

Radioss 在全球所有行業領域得到廣泛應用，提高了複雜設計的耐撞性、安全性和可製造性。

 

在曲棍球運動中，冰球射擊是球員可以執行的最快、最有力的擊球。 在 2012 年 NHL 全明星技能大賽期間，波士頓棕熊隊隊長 Zdeno Chara 以 108.8 英里/小時的速度打出了驚人的速度，這讓他創造了時至今日仍然保持的世界上最快速度的紀錄。 我們認為可以肯定地說，Chara 身高 206 公分，近 118 公斤重的身體幫助他產生了驚人的力量。

冰球射擊之所以得名，是因為——你猜對了！球員在冰球後面稍微“拍擊”冰塊。 從那裡，他們利用自己的體重來彎曲曲棍球棍，將能量從自身轉移到冰上，最後轉移到冰球上。

這似乎違背直覺，但在擊球之前擊中冰會產生類似彈弓的效果，彎曲的球棍的勢能從球員轉移到冰上。 這就是讓冰球在空中飛行的速度比玩家直接擊球時更快的原因。

雖然速度、接觸位置和時機都促成了這一強大的擊球，但曲棍球棍本身的構成也是如此。 當曲棍球在 1800 年代中期還只是一項新興運動時，曲棍球棍是由一塊木頭組成的。 但當玩家意識到這些木棍易碎且容易折斷時，設計師開始用多層木頭製造它們，這使得木棍更堅固、更靈活。

 

為什麼擁有靈活的球棍如此重要？

自 2000 年以來，運動員力量、訓練和運動裝備的大幅改善為這項運動帶來了新的強度水準。 通過研究 NHL 最難射擊的數據，很容易注意到在 2000 年左右，聯盟的射擊開始變得更快。 這也是球員開始使用複合材料製成的球棍的時候，這絕非巧合。 複合棍具有木材的靈活性和強度，但重量更輕，這有助於玩家更好地掌握它們並更快地揮動它們，從而產生更大的力量。

為了比較兩種材料的性能，我們使用 Altair Radioss 模擬了這種“彈弓”現象。 使用由木材和複合材料製成的球棍，我們想了解在運動器材中採用輕質複合材料，特別是曲棍球球棍，對球員和比賽的表現有多大的影響。

 

為球棍建模

由於位移大、作用持續時間短以及我們正在測試的零件之間的動態相互作用，Radioss 是執行冰球射擊模擬和觀察結構行為的理想工具。 對於前處理和後處理，我們使用了 Altair HyperWorks。

為了對曲棍球棍進行建模，我們首先必須定義每根棍子的材料資訊。 為了準確地表現複合模型，我們將碳纖維加強聚合物層材料包裹在棍子的軸和葉片部分周圍。 軸本身是中空的，而葉片則填充泡沫材料。

對於複合層，我們使用 Altair Multiscale Designer 定義了材料，該應用程式允許輸入構成纖維和聚合物母體材料屬性，以及纖維體積分數，以計算複合材料經過驗證的均質材料屬性。 Multiscale Designer 和 Altair OptiStruct 等模擬驅動的設計工具是強大的複合材料隱式求解器。

除了均質化之外，Multiscale Designer 還允許去除均質化，這有助於用戶評估纖維和聚合物母體微級水平的應力和應變，從而實現全面的漸進式損壞和塑性材料行為。

複合建模

木頭建模

 

接下來，我們必須定義兩隻棍子在揮動和與冰接觸期間的正確旋轉。 冰球射擊不僅僅是簡單地圍繞一個特定位置旋轉搖桿而結束。 揮動時，球員將棍身和葉片的面以傾斜的方向朝向冰球。

在典型的冰球射擊揮動過程中固定方向

 

為了模仿球員的手部位置，我們使用了 4 條機製方法，如下所示。 兩個活動關節代表球員的手，由軸連結。 有了這個，我們定義了一個合理的手在棍子上的運動學表現。

 

 

使用冰球射擊

將球棍的初始旋轉速度設置為 550 rad/s，我們的虛擬開始射擊。 在模擬了冰球射擊之後，木頭和複合球棍的比較結果並不令人驚訝。 雖然每根棍子與地板的相互作用不同，但軸的剛度是控制接觸力的因素。

 

複合球棒對冰球的控制力要高得多，因此比木頭球棒產生更多的擊球力量。 使用模擬來展現彈弓效應，我們可以看到，一旦球棍觸地，儲存的能量確實會轉移到冰球上。

 

雖然每根球棍都以相同的速度接近冰球，但由於木頭葉刀的冰球控制不佳，木頭葉片的速度比擊球前的複合葉片慢。 複合球棍的擊球速度為 66.4 英里/小時，而木頭球棍的擊球速度為 54.9 英里/小時。 雖然我們並沒有完全打破任何 NHL 記錄，但我們證實了拍擊的科學依賴於力量、準確性和高科技曲棍球棍設計。

 

結論

毫無疑問，多物理場設計工具將在進階運動器材的開發中發揮至關重要的作用。 通過獲得進階的材料行為理解，工程和設計團隊可以以更少的迭代和更低的成本執行更可靠、更準確的模擬。 在體育行業中獲得競爭優勢——就像在體育本身中一樣——始於在正確的時間使用正確的工具。

Altair Radioss 是一種領先的分析解決方案，可針對動態載荷下的高度非線性問題評估和優化產品性能。 它在全球所有行業領域得到廣泛應用，提高了複雜設計的耐撞性、安全性和可製造性。

 

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